pn结电容(pnjunctioncapacitance)物理知识大全-最新教学文档
PN结——电容特性优秀课件
的电子电流一定；半导体流向金
－
属的电子电流因电位增加而降低，
故有半导体→金属反向电流（恒
定）。
金属半导体接触I-U特性类似于pn结的伏安特性
I
正向特性
VD
反向特性
肖特基二极管
利用金属—半导体整流接触特性制成的二极管称 为肖特基二极管。
肖特基二极管与pn二极管的比较
相同：单向导电性 不同：
1 反向电流产生机制不同： ➢肖特基二极管为多数载流子工作 ➢pn接面二极管为少数载流子工作 ➢结果：肖特基二极管的饱和电流要 大得多，起始电流也较大。
P
△U变化时，P区 积累的非平衡少 子浓度分布图
3 1
2
电子浓度
1 ΔU=0
2 ΔU<0
x 3 ΔU>0
U ΔU
N
+ +
+ +
....................................
. ..
.
.
P
PN结正向偏置电压越高，积累的非平衡少子越多。
这种电容效应用扩散电容CD表征。
CD Q U
PN结正偏时，由N区扩 散到P区的电子（非平衡少 子），堆积在 P 区内紧靠 PN结的附近，到远离交界 面处，形成一定的浓度梯 度分布曲线。电压增大， 正向（扩散）电流增大。
扩散电容示意图
U ΔU
N
+ +
+ +
....................................
. . .
..
C1 L
Байду номын сангаасDC
R
+ UD –
模电课件04第一章PN结电容
整流器广泛应用于各种电子设备 和电源供应系统中，如电源适配
器、充电器等。
放大器的运用
放大器是利用PN结的放大效应来实现信号放大的电子元件。
在放大器中，PN结电容的作用是控制信号的放大倍数和频率响应，从而 实现信号的放大。
放大器广泛应用于各种电子设备和系统中，如音频放大器、射频放大器 等。
PN结电容的物理意义
PN结电容反映了PN结两端电压与结 区内电荷分布之间的关系。
它对于理解半导体器件的工作原理、 分析电路性能以及设计新型器件具有 重要的意义。
PN结电容的特性
PN结电容具有非线性特性，即 在不同偏置电压下，PN结电容
的数值会发生变化。
PN结电容与温度密切相关，温 度的变化会影响PN结电容的大
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随着电子技术的不断发展，PN结电 容的应用范围越来越广泛，对其性能 的要求也越来越高。
为了满足不断增长的性能需求，PN 结电容的研究和开发也在不断深入， 新型材料和制备工艺不断涌现。
未来，随着电子器件的小型化和集成 化，PN结电容的发展将更加注重微 型化、高精度和高稳定性等方面，以 满足不断变化的市场需求。同时，随 着人工智能和物联网等新兴技术的快 速发展，PN结电容的应用领域也将 得到进一步拓展。
电荷存储与PN结电容
电荷在PN结空间电荷区中的存储形成 了PN结电容。
PN结电容的大小与空间电荷区的宽度 和掺杂浓度有关。
当外加电压施加在PN结两端时，自建 电场和外加电场的共同作用使得空间 电荷区中的电荷发生移动，导致电容 的充放电。
影响PN结电容的因素
01
02
03
掺杂浓度
半导体物理pn结电容..
CT 4CT 0 4 A
2 N A ND
r 0 qN A N D
6.3.3 线性缓变结的势垒电容
电荷分布如左图所示，则势垒区的空间电荷 密度为 x q N N qa x
qa j x d 2V x 将上式带入泊松方程 2 dx r 0
对于
pn
或
n p， CT
可简化为 CT A
2 VD V
r 0 qN B
结论：突变结的势垒电容和结的面积以及轻掺杂一边的杂质浓 度的平方根成正比。 突变结势垒电容和电压 VD V 的平方根成反比，反向偏 压越大势垒电容越小，外加电压随时间变化，则势垒电容变化 正向偏压时
2 dV x qa j x2 qa j X D x dx 2 r 0 8 r 0
D
A
j
积分及利用边界条件可求得电场强度 x 为
x 0 处取得极大值，对上式积分并
设
V 0 0 x 0 处，
求得
2 qa j x3 qa j xX D V x 6 r 0 8 r 0
CDn
2 q n po Ln qV dQn exp dV k0T k T 0
得总微分扩散电容为
' D
n L pno Lp qV 2 po n CD AC A CDp CDp Aq exp k0T k0T 对于 p n 结则为 2 pno Lp qV
x
x 0 0 x xn
p
dV1 x qN A dx r 0
PN结电容
扩散电容用符号CD表示
CD
UT
(I D IS )
τ是非平衡载流Q子N 的Q平P 均寿命，ID 是 正 向 电 流 。 上 式 说载明流C子D平与衡I浓D 成度 正比。CD比CT大，一般CD在数十x pF～0．正0偏1μPNF结范非围平内衡。少当子浓反度偏分时布， ID = -IS，故CD=0
3 变容二极管
CT(0) UD
UΦ
-U+CT
变容管的压控特性曲线
变容管广泛应用于高频电路
变容管的电路符号
特殊二极管
1．光敏二极管
2 ． 发光二极管
I/μA
光敏二极管的符号
-12 -8 -4
E=200lx E=400lx -50
UD / V
光电二极管的PN结特性曲线
反向电流与光照度E成正比关系
3． 激光二极管
发光二极管的符号 二极管型光电耦合器
UDU-ΔDUD
IS
2 扩散电容CD
P
N
可见，势垒电容可等效为一个极
板距离随外加电压变化的平行板 电容，极板距离就相当于空间电 荷区的宽度。
当 正 偏 电 压 UD 增 大 到 UD+ΔUD时
U+ΔU U
载流子浓度
相当于电容的充电
当外加正偏电压变化时，PN
ΔQN
ΔQP
结外扩散区内累积的非平衡
载流子数变化引起的电容效 应，称为扩散电容
发光二极管的符号
CT
当频率很高时
反如向果电使阻二r极d很管大反，偏反，偏这二时极CD管=0在高 频时可以当作电容器来使用，
CT
CT (0) (1 uD )
CT
U
变容二极管
pn结的结电容
pn结的结电容1. 什么是pn结pn结是一种半导体器件，由p型半导体和n型半导体通过扩散或合金形成的。
在p 型半导体中，电子浓度较低，空穴浓度较高；而在n型半导体中，电子浓度较高，空穴浓度较低。
当p型和n型半导体相接触时，形成了一个p-n结。
2. pn结的结电容原理pn结的两侧会形成一个空间电荷区（也称为耗尽层），这个区域没有可自由移动的载流子。
当对pn结施加正向偏置时，即将正极连接到p端、负极连接到n端，耗尽层会变窄。
这是因为正向偏置使得空穴从p端向n端移动，并与n端的电子复合，减小了耗尽层宽度。
在这种情况下，pn结就具有了一个等效的电容器特性。
这个电容器就是pn结的结电容。
3. 结电容的公式pn结的结电容可以通过以下公式计算：C = sqrt(2 * ε * ε0 * A / (q * Nd * (Vbi - V)))其中： - C 是 pn 结的等效结电容 - ε 是半导体的介电常数 - ε0 是真空的介电常数 - A 是 pn 结的交叉截面积 - q 是元电荷（1.6 x 10^-19 C） - Nd 是 n 型区域的杂质浓度 - Vbi 是内建电势（也称为势垒电压） - V 是施加在 pn 结上的偏置电压4. 结电容与偏置电压关系结电容与偏置电压之间存在着一定的关系。
当施加反向偏置时，pn结处于正向耗尽状态，结电容较大。
而当施加正向偏置时，pn结处于正向导通状态，结电容较小。
这是因为在正向耗尽状态下，耗尽层宽度较大，形成了一个较大的耗尽层容积。
而在正向导通状态下，耗尽层宽度减小，耗尽层容积也相应减小。
5. 结电容在实际应用中的作用结电容在半导体器件中起着重要作用。
以下是一些例子：5.1 反向恢复时间当一个二极管或晶体管由导通状态切换到截止状态时，需要一定时间来恢复到正常工作状态。
这个时间被称为反向恢复时间。
结电容是影响反向恢复时间的重要因素之一。
较大的结电容会导致较长的反向恢复时间。
5.2 高频特性结电容也会影响器件的高频特性。
高一电容知识点总结大全
高一电容知识点总结大全高一电容知识点总结大全电容是物理学中重要的概念之一，也是电路中常用的元件之一。
对于高一学生来说，掌握电容的相关知识点对于理解电路原理和解题非常重要。
本文将从电容的基本概念、公式计算、串并联电容、能量存储等方面进行详细的总结，帮助高一学生更好地掌握电容知识。
一、电容的基本概念1. 电容的定义：电容是指电荷与电压之间的比值，用符号C表示，单位是法拉（F）。
2. 电容的符号：电容的符号是两个平行的导体板，之间填充有介质。
导体板被分别称为电容的极板，它们与电源连接的导线称为电容的引线。
3. 电容的公式：电容C等于电容的极板上的电荷Q与其上的电压V之比，即C=Q/V。
二、电容的公式计算1. 电容的计算方法1：当电容已知时，可以使用公式C=Q/V计算电容上的电荷或电压。
2. 电容的计算方法2：当电容不存在时，可以使用公式C=εA/d计算电容，其中ε是介质的介电常数，A是电容的极板面积，d是电容的极板之间的距离。
三、串联电容1. 串联电容的概念：串联电容是指多个电容连接在一起，共享相同的电荷。
串联电容的总电容等于每个电容的倒数之和的倒数，即1/Ct = 1/C1 + 1/C2 + ... + 1/Cn。
2. 串联电容的计算方法：将每个电容的倒数相加，再求倒数，即1/Ct = 1/C1 + 1/C2 + ... + 1/Cn。
3. 串联电容的特点：串联电容的总电容始终小于每个电容的最小值。
四、并联电容1. 并联电容的概念：并联电容是指多个电容连接在一起，具有相同的电压。
并联电容的总电容等于每个电容的和，即Ct= C1 + C2 + ... + Cn。
2. 并联电容的计算方法：将每个电容相加，即Ct = C1 + C2 + ... + Cn。
3. 并联电容的特点：并联电容的总电容始终大于每个电容的最大值。
五、电容的能量存储1. 电容的能量存储：电容可以将电能存储在介质中，电容存储的电能等于电容两极板之间的电压与其中的电荷之积的一半，即W = 1/2CV²。
半导体器件物理学习指导：第二章 PN结
型区扩散。由电子和空穴扩散留下的未被补偿的施主和
受主离子建立了一个电场。这一电场是沿着抵消载流子扩 散趋势的方向
在热平衡时，载流子的漂移运动正好和载流子的扩散运动
相平衡，电子和空穴的扩散与漂移在N型和P型各边分别留
下未被补偿的施主离子和受主离子N d和
N
a
。结果建立了
两个电荷层即空间电荷区。
i
反偏产生电流在 P N 结反向偏压的情况下，空间电荷区 中 np ni2 。于是会载流子的产生，相应的电流即为空间电 荷区产生电流。
隧道电流：当P侧和N侧均为重掺杂的情况时，有些载流子可 能穿透(代替越过)势垒而产生电流，这种电流叫做隧道电流
产生隧道电流的条件： （1）费米能级位于导带或价带的内部； （2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率； （3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另
雪崩击穿：在N区（P区）的一个杂散空穴（电子）进入空 间电荷层，在它掠向P区（N区）的过程中，它从电场获得 动能。空穴（电子）带着高能和晶格碰撞，并从晶格中电 离出一个电子以产生一个电子空穴对。在第一次碰撞之后， 原始的和产生的载流子将继续它们的行程，并且可能发生 更多的碰撞，产生更多的载流子。结果，载流子的增加是 一个倍增过程，称为雪崩倍增或碰撞电离，由此造成的PN 结击穿叫做雪崩击穿。
Ae-wn Lp K2 = - 2sh wn - xn
Lp
（4）
Aewn Lp K1 = 2sh wn - xn
Lp
（5）
将（4）（5）代入（1）：
sh wn - x
pn
-
pn0
=
pn0 (eV
VT
- 1) sh
Lp wn - xn
半导体技术之-PN结基础知识
（2-69）
在正向偏置情况下，取 I I 0 eV VT，导出
dV dT
I 常数
V T
VT
1 I0
dI0 dT
dI dT
V 常数
I
1 I0
dI 0 dT
V TVT
将（2-69）式代入（2-70）和（2-71）式中，得到
dV
V
Eg0
q
dT
T
（2-72） 和
m
x
0 0
（c ）
• 单边突变结电荷分 布、电场分布、电 势分布
（a）空间电荷分布
（b）电场
（c）电势图
➢ 利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式:
0
n
p
VT
ln
Nd Na ni2
➢ 解Poisson方程求解PN结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度：
m 1
x xn
qNd xn2 2k 0
➢ 空间电荷区载流子通过复合中心复合的最大复合率条件：
n p ni eV 2VT
最大复合率为:
U max
ni 2 0
eV
2VT
➢ 正偏复合电流和反偏产生电流分别为：
I rec
qAniW
2 0
eV 2VT
I R eV 2VT
IG
qAU W
qni AW 2 0
由于空间电荷层的宽度随着反向偏压的增加而增加因而反向电流是不饱和的。
是稳态载流子输运满足扩散方程
1.3 理想P-N结的直流电流-电压特性
2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性
理想的P-N结的基本假设及其意义 ➢ 外加电压全部降落在耗尽区上，耗尽区以外的半导体是电中性的，这意
PN结电容
C1
4 Q
利用边界条件
V D V V ( 1 ) V ( 2 )
VD V 2 N1 N 2 N1N 2
2
得到电压与电荷的关系
e
(
)Q
从而得到微商电容与电压关系
1
e 3 N1N 2 1 C (V ) ( ) dV 8 N 1 N 2 V D V dQ
1
转换计算可得到
N1 N 2 ( )(V D V N1N 2 2 e
3 )
势垒和板距为 的平行板电容器相似 广泛利用的合金结往往很接近突变结的情况， 而且其中一边的杂质浓很多，例如 N N 1 2 则
2
这种情况基本上和金属-半导体的接触相同，结中的 电场一边线性的增加，到另一边达到最大值。前面公 式中的 ( N N ) 为 N 所代替
2、扩散电容
有外加电压时，在 两个扩散区之内 都有一定的少数 载流子的积累， 而且浓度随电压 的变化而变化， 这样就造成了附 加的电容效应 上图表示少数载流子的 移动
在扩散区中积累的少数载流子作指数分布
c ( p ) 0 L
( p ) 0 表示边界面处非平衡载流子的浓度，利用前面的结果。就得到电荷区内积累 的电荷与电压的关系
1 2
N1 N 2
2
· 缓变结— 杂质电荷的情况由P型区过渡到N 乙 型区是逐渐变化的
取交界面为x=0，那么在这x
处为电荷区边界
同样代入泊松方程，按相同的方式计算得到
1
C
dQ dV
3 G 4 3 (V D V )
PN结电容
PN 结 电 容
pn结的势垒电容和扩散电容
pn结的势垒电容和扩散电容
（最新版）
目录
1.PN 结的势垒电容和扩散电容的定义
2.势垒电容的作用和特性
3.扩散电容的作用和特性
4.势垒电容和扩散电容的区别和联系
正文
在半导体材料中，PN 结是一种重要的结构，它是由 P 型半导体和 N 型半导体相互接触而形成的。
在 PN 结中，存在两种电容，分别是势垒电容和扩散电容。
势垒电容，又称为空间电荷区电容，是由 PN 结中的空间电荷区形成的电容。
在 PN 结正向偏置时，空间电荷区会被消除，势垒电容会变得很小。
而在 PN 结反向偏置时，空间电荷区会增加，势垒电容也会相应地增加。
势垒电容的作用主要在于存储和释放电荷，影响 PN 结的导电特性。
扩散电容，是由 PN 结中的电子和空穴扩散形成的电容。
扩散电容的大小与半导体材料的性质、温度和偏置电压等因素有关。
在正向偏置时，扩散电容较小；在反向偏置时，扩散电容较大。
扩散电容的作用主要在于限制 PN 结的反向电流，提高 PN 结的稳定性。
势垒电容和扩散电容在 PN 结中起着重要的作用，但它们之间存在一定的区别和联系。
势垒电容主要影响 PN 结的导电特性，而扩散电容主要限制 PN 结的反向电流。
然而，这两种电容在实际应用中往往是同时存在的，它们共同决定了 PN 结的电学特性。
总之，PN 结中的势垒电容和扩散电容具有各自的特性和作用，它们共同决定了 PN 结的导电特性和稳定性。
半导体 p-n结电容
6.3 p-n结电容1、p-n结电容的来源势垒电容扩散电容p-n结上外加电压的变化，引起电子和空穴在势垒区的“存入”和‘取出“作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压变化而变化，和一个电容器的充放电作用相似。
称为pn结的势垒电容。
正向偏压，存入反向偏压，取出pn结扩散区的电荷数量随外加电压变化而产生的电容效应。
正向偏压时，随电压增大，p(n)区扩散区内的非平衡电子（空穴）和与其保持电中性的空穴（电子）也增加2. 突变结的势垒电容（1）、突变结势垒区中的电场、电势分布ρ(x) = -qN A(-x p<x<0)ρ(x) = qN D(0<x<x n)X D=X n+X p电中性条件要求：qN A x p= qN D x n=Q泊松方程：d2V/dx2= -ρ/εε0将上式积分一次，得：考虑边界条件：因为势垒区外是电中性的，电场集中在势垒区确定C1=C2=qN A x p/εε0=qN D x n/ εε0势垒区的电场为：可见，在x=0处，电场达到最大：N A >>N D N D >>N A x n >>x px p >>x p再次积分，得到到势垒区中各点的电势为：考虑边界条件：V(-x p )=0 V(x n )=V D得到：以上就是势垒区的电场、电势分布D p n1、单边突变结的接触电势差随低掺杂一边的杂质浓度的增加而升高；2、单边突变结的势垒宽度随轻掺杂一边的杂质浓度的增大而下降，势垒区几乎全部在轻掺杂一侧；3、几点结论：4、N B 是轻掺杂一侧的杂质浓度可以用来估算单边突变结在平衡时的势垒宽度三角形面积当p-n结上有外加偏压V时，可推导出：（p+n结)（pn+结)•突变结的势垒宽度与势垒区上的总电压的平方根成正比；•当外加电压一定时，势垒宽度随pn结两边的杂质浓度的变化而变化，势垒宽度随轻掺杂一边的杂质浓度的平方根成反比；则，单位面积势垒电容：pn结势垒电容C T= AC T’, 其中A是结面积线性缓变结的势垒电容可以得到势垒区宽度：T可以得到：所以势垒电容为：1、线性缓变结的势垒电容和结面积与杂质浓度梯度的立方根成正比，4、扩散电容只适用于低频情况，扩散电容随频率的增加而减小；由于扩散电容随正向偏压按指数关系增加，所以在大的正向偏压时，扩散电容起主要作用；6.4p-n结击穿1、雪崩击穿；(Avalanche Breakdown)2、隧道击穿（齐纳击穿）；(Tunneling Breakdown)3、热击穿；高能量的电子和空穴把满带中的电子激发到导带,产生电子空穴对.电场很强倍增效应:势垒区单位时间内产生大量载流子势垒区很薄时,即使电场很强,也不能产生雪崩击穿反向偏压大,势垒越高,势垒区能带越加倾斜,n区导带底比p区价带顶高. 电子通过隧道效应可以穿过禁带.2、隧道击穿（齐纳击穿）机理：量子力学隧穿效应E c = 106V/cm ~100 V/um 重掺杂pn结：∆x负温度系数：T上升，Eg下降，∆x也下降，击穿电压BV降低隧穿几率：1、Si齐纳击穿电压；2、Si雪崩击穿电压；3、Ge齐纳击穿电压；4、Ge雪崩击穿电压；6.5 pn结隧道效应（隧道二极管）隧道二极管与量子隧穿现象相关,因为穿越器件时间非常短,故可应用于毫米波区域,包括特定的低功率微波器件,局部震荡器和锁频电路.PN结的隧道效应隧道结的电流电压特性解释：隧道二极管是利用多子隧道效应工作的：1、隧道二极管噪声较低；2、由重掺杂半导体构成，温度影响小；3、隧道效应本质上是量子跃迁过程，穿越势垒极其迅速，可以在极高频下使用；反向偏压时，p区能带相对于n区能带升高，因此p区中的价带电子可以隧穿到n区导带，产生反向隧穿电流。
半导体技术之-PN结基础知识
（b）加正向电压，耗尽
层宽度W’W
1.2.1加偏压的结的能带图
W
能量
（E ）
IR
P
N
qVR
VR +
（c ）
（c）加反向电压，耗尽层宽度W’>W
q0 VR
➢ 根据载流子扩散与漂移的观点分析了结的单向导电性：
正偏压使空间电荷区内建电势差由 0 下降到 0-V打破了PN结的热平衡，使载 流子的扩散运动占优势即造成少子的正向注入且电流很大。反偏压使空间电
明的外延工艺。 1970年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特兰尼(E.Castellani)
发明的光刻工艺。正是光刻工艺的出现才使硅器件制造技 术进入平面工艺技术时代，才有大规模集成电路和微电子 学飞速发展的今天。 上述工艺和真空镀膜技术，氧化技术加上测试，封装工艺 等构成了硅平面工艺的主体。
xp 0 xn
Ip x
（b）少数载流子电流
（c）电子电流和空穴电流
正向偏压情况下的的P-N结
反向偏压情况下的的P-N结
载流子浓度
少数载流子电流
P型
PN
N型
空间电荷层
I Ip In
np0 np
pn0ห้องสมุดไป่ตู้pn
In x
Ip
Ip
In
In
Ip
x
xp 0 xn
x
xp 0 xn
x x
xp 0 xn
x
突变结与线性缓变结
NaNd NaNd
Na -ax
xj
0
0
x
-Nd
xj x
（a）突变结近似（实线）的窄扩散结 （虚线）
（b）线性缓变结近似（实线）的 深扩散结（虚线）
半导体物理pn结 (pn junction)
得
Jn
n0qn
E
n0
n
(
dEC dx
dEF dx
)
n0 n
dEF dx
其中 dEC q dV (x) q E
dx
dx
因为热平衡时Jn＝0，此结果表明热平衡时
dEF 0 dx
同理，得空穴电流
Jp
p0 p
dEF dx
热平衡时
Jp
p p
dEF dx
Jn
0
；
因为热平衡时 dEF 0
dx
所以热平衡时pn结两边费米能级持平。
其他理想条件： 1）耗尽区边界突变，边界之外保持电中性； 2）材料为非简并状态，载流子用玻尔兹曼近似统计； 3）外加偏压不足以改变电中性区多数载流子的密度； 4）正偏压下电流通过耗尽区时没有复合损耗，反偏压 下电流通过空间电荷区时亦无产生电流加入，即正反向电 流完全由少数载流子的扩散引起，在整个耗尽区内各自保 持为常数。
EF
)
nn0
exp(
EC
(
x) kT
Ecn
)
0 E
nn0
exp(
qVD
qV kT
(x)
)
Ecp
0
∵
np0
nn0
exp(
qVD kT
)
EF
∴
n0
(
x)
n
p
0
exp(
qV (x) kT
)
势垒区中电子密度随着电势升高而指数地
从p区的少子水平升高到n区的多子水平。 x
p
VD
x
x
x
qVD Ecn
xn
• 势垒区内点x处的空穴密度
PN结简介
PN结PN结（PN junction）。
采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。
PN结具有单向导电性。
P是positive的缩写，N是negative 的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。
一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。
PN结有同质结和异质结两种。
用同一种半导体材料制成的 PN 结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。
PN结（PN junction）制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。
制造异质结通常采用外延生长法。
P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。
在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。
在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。
N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。
当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。
空穴和电子相遇而复合，载流子消失。
因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。
P 型半导体一边的空间电荷是负离子，N 型半导体一边的空间电荷是正离子。
正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。
在PN结上外加一电压，如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。
如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。
集成器件物理基础第3部分 PN-第3部分
微安到几毫安）时的正向电压称为 正向导通电压，记作 VF 。
I (mA)
6
锗硅
4
2
0 0.2 0.4 0.6 0.8
V(V)
Js
q
Dp Lp
pn 0
Dn Ln
np0
qni2
Dp Lp ND
Dn Ln NA
正向导通电压，记作 VF
影响正向导通电压 VF 的因素 Is = AJs 越大，VF 就越小，因此， Eg↑，则 Is↓，VF↑；
假设中性区内无电场，所以可略去电流密度方程中的漂移分量
理想pn结电流
x＝xn处少子空穴
扩散电流密度为
J p (xn )
qDp
dPn (x) dx
x xn
对于均匀掺杂，热平 衡载流子浓度为常量
J p (xn )
qDp
d (Pn (x)) dx
x xn
带入分布函数：
pn (x)
pn0
exp
qV kT
exp
xn Lp
x
pn0
exp
xn Lp
x
在x=xn处，Δ pn(xn)→-pn0,即pn(xn)= pn0+Δ pn(xn)→0
p
n
np0 np (x)
np (xp ) np0 xp
np (xp )
np0
exp
qV kT
,
pn0 pn (x)
np
xn pn (xn ) pn0
nn0 exp(qVbi / kT ) exp(qV / KT )
np (xp ) np0 exp(qV kT )
同样的方法可得到n区
(xn)的少子浓度
pn结(pnjunction)物理知识大全
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还在等什么，快来看看这篇pn 结（p-njunction）物理知识大全吧~ pn 结（p-njunction ）pn 结（p-njunction）在一块n型（或p型）半导体单晶上，用适当的工艺方法（如合金法、扩散法和离子注入法等）把p型（或n型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别具有p 型和n 型的导电类型，在二者的交界面处就形成了pn 结。
pn 结刚形成时，p 区的多数载流子空穴向n 区扩散，在n 区边界附近与电子复合。
p区失去空穴，在其边界附近就剩下带负电的受主离子同理，n 区电子也向p 区扩散，在其边界附近剩下带正电的施主离子。
结果在p 区和n 区交界面的两侧形成带正、负电荷的区域，称为空间电荷区，也叫耗尽区（多数载流子缺乏）空间电荷区内正、负离子电荷总量相等，其中形成的电场方向由n 区指向p 区，它就是pn 结的自建电场。
在平衡时，自建电场的大小正好能阻止空穴和电子进一步扩散，使空间电荷区宽度保持一定。
当结上加正向电压时（即p区接电源第 1 页正极，n 区接负极），自建电场削弱，使多数载流子（p 区的空穴，n 区的电子）容易通过pn 结，因而电流较大，这时pn 结叫做正偏结，电流称为正向电流; 当结上加反向电压时，内建电场增加，只有少数载流子（p 区的电子，n 区的空穴）易通过pn 结，因而电流很小，这时pn 结叫做反偏结，电流叫做反向电流。
pn 结具有单向导电性，这是pn 结最基本的性质之一。
pn 结这种整流特性是很多半导体器件和电路的核心。
整流器及许多其他类型的二极管都是只含 1 个pn 结的器件;一般结型晶体管是2个pn 结构成的器件;晶体闸流管是含有 3 个或4 个pn 结的器件。
pn结电容
PN结电容PN结电容分为两部分，势垒电容和扩散电容。
PN结交界处存在势垒区。
结两端电压变化引起积累在此区域的电荷数量的改变，从而显现电容效应。
当所加的正向电压升高时，多子(N区的电子、P区的空穴)进入耗尽区，相当于对电容充电。
当正向电压减小时，又会有电子、空穴从耗尽区分别流入N区、P区，相当于电容放电。
加反向电压升高时，一方面会使耗尽区变宽，会使P区的空穴进一步远离耗尽区，也相当于对电容的放电。
加反向电压减少时，就是P区的空穴、N区的电子向耗尽区流，使耗尽区变窄，相当于充电。
PN结电容算法与平板电容相似，只是宽度会随电压变化。
下面再看扩散电容。
PN结势垒电容主要研究的是多子，是由多子数量的变化引起电容的变化。
而扩散电容研究的是少子。
在PN结反向偏置时，少子数量很少，电容效应很少，也就可以不考虑了。
在正向偏置时，P区中的电子，N区中的空穴，会伴着远离势垒区，数量逐渐减少。
即离结近处，少子数量多，离结远处，少子的数量少，有一定的浓度梯度。
正向电压增加时，N区将有更多的电子扩散到P区，也就是P区中的少子----电子浓度、浓度梯度增加。
同理，正向电压增加时，N 区中的少子---空穴的浓度、浓度梯度也要增加。
相反，正向电压降低时，少子浓度就要减少。
从而表现了电容的特性。
PN结反向偏置时电阻大，电容小，主要为势垒电容。
正向偏置时，电容大，取决于扩散电容，电阻小。
频率越高，电容效应越显著。
在集成电路中，一般利用PN结的势垒电容，即让PN结反偏，只是改变电压的大小，而不改变极性。
势垒电容在积累空间电荷的势垒区，当PN结外加电压变化时，引起积累在势垒区的空间电荷的变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充、放电过程相同。
耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容。
势垒电容具有非线性，它与结面积、耗尽层宽度、半导体的介电常数及外加电压有关。
势垒电容是二极管的两极间的等效电容组成部分之一，另一部分是扩散电容。
PN结电容：交流特性
设N区中空穴在寿命τp的时间内扩散距离为Lp， P区中电子在寿命τn的时间内扩散距离为Ln。 Ln+Lp=L远大于P-N结本身的宽度。故可以认为在 结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子都对 光电流有奉献。
而产生的位置距离结区超过L的电子空穴对， 在扩散过程中将全部复合掉，对P-N结光电效应无 奉献。
♦当加外电压V
1
d2e0 (NNDDNNAA)(VDV)2
学习材料
20
⑤单边突变结:
1
d
20
e
(VD V NB
)
2
♦势垒区主要在轻掺杂一边
• 对p+-n结, NB代表ND • 对p-n+结, NB代表NA
学习材料
21
P+-n结
学习材料
22
★ 突变结的势垒电容 反向偏压下的突变结势垒电容(单位面积):
x x n
e V
p (x) p (x n )eL , p (x n ) p n 0 (e k T 1 )
♦在电子扩散区
x x P
e V
n (x ) n ( x p )eL , n ( x p ) n p 0 (e k T 1 )
学习材料
26
PN结的单位面积微分扩散电容为:
C DC D pC D n(e2p n0L e2n p0L )ee k V T A A A kT kT
4点--隧道电流 等于0
5点—反向电流 随反向电压的 增加而迅速增 加
学习材料
35
§5 p-n结的光生伏特效应
(1) p-n结的光生伏特效应 (2) 光电池的伏安特性
学习材料
36
★ p-n结的光生伏特效应
适当波长的光, 照耀到非均匀半导体上,由于 内建场的作用,半导体内部可以产生电动 势(光生电压)--光生伏特效应是内建场引 起的光电效应.
高二物理竞赛课件：PN结电容
P区电子：
Dn
kBT q
n
Ln = Dnn
少子浓度：
pN 0
ni2 ND
np0
ni2 NA
I AJ s (eqv/kBT 1)
Js
总电流： I AJ s (eqv/kBT 1)
（2）假设以P区指向N区为x轴的正方向，列出N区内的空穴和电子浓度分布 的表达式。 N区内空穴浓度分布为：
x xN时，p(x) pN 0 pN 0 (eqv/kBT 1)e(xN x)/LP 利用 n p ，得出电子浓度分布：
q(VD NA
V )N ND
A
N
D
1/ 2
单位面积的势垒电容为：
CT'
dQ dV
=
s qN A N D
2(NA ND )(VD V )
耗尽层近似， 也适用于加 反向偏压。
若PN结面积为A，则PN结的势垒电容为：
CT ACT' A
s qN A N D
2(NA ND )(VD V )
对于P+N结或N+P结，上式可简化为：
exp(
qV kBT
)
1
扩散区，单位面积的微分电容：
CDp
dQp dV
q2Lp pN 0 kBT
exp( qV ) kBT
CDn
dQn dV
q 2 Ln n p 0 kBT
qV exp( )
kBT
单位面积总扩散电容：
CD'
CDp
CDn
q2
(Lp
pN 0 Ln kBT
n
p
0
)
exp(
qV kBT
(x)
电子漂移电流：注入的空穴浓度远小于电子的浓度，故空穴的漂移
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pn结电容（p-njunctioncapacitance）物理知
识大全
苏霍姆林斯基说：让学生变得聪明的办法，不是补课，不是增加作业量，而是阅读、阅读、再阅读。
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pn结电容（p-njunctioncapacitance）
pn结电容(p-njunctioncapacitance)
pn结具有电容特性。
pn结电容包括势垒电容和扩散电容两部分。
pn结的耗尽层宽度随加在pn结上的电压而改变。
当pn结加正向偏压时，势垒区宽度变窄、空间电荷数量减少，相当于一部分电子和空穴存入势垒区。
正向偏压减小时，势垒区宽度增加，空间电荷数量增多，这相当于一部分电子和空穴的取出。
对于加反向偏压情况，可作类似分析。
pn结的势垒宽度随外加电压改变时，势垒区中电荷也随外加电压而改变，这和电容器充放电作用相似。
这种pn结的电容效应称势垒电容。
另外，在正偏结中，有少数非平衡载流子分别注入n区和p区的一个扩散长度范围内(称做扩散区)，其密度随正向电压的增加而增加，即在两个扩散区内储存的少数非平衡载流子的数目随pn结的正向电压而变化。
这种由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称
为pn结的扩散电容。
pn结电容是可变电容。
势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化。
pn结电容使电压频率增高时，整流特性变差，是影响由pn结制成器件高频使用的重要因素。
利用pn结电容随外加电压非线性变化特性，可制成变容二极管，在微波信号的产生和放大等许多领域得到广泛的应用。
感谢阅读pn结电容(p-njunctioncapacitance)物理知识大全，希望大家从中得到启发。